【壓縮機(jī)網(wǎng)】1、引言

 

　　離心壓縮機(jī)以其可靠性高、體積小、工作流量大的特點(diǎn)在石油化工、制藥、冶金等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，被稱為心臟設(shè)備，壓縮機(jī)的故障將嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營[1]。
 

 

　　天然氣管道壓縮機(jī)組通常包括驅(qū)動(dòng)設(shè)備、離心壓縮機(jī)、齒輪箱、潤滑油系統(tǒng)、工藝閥組、輔助供電系統(tǒng)、機(jī)組控制系統(tǒng)等組成。對于高度自動(dòng)化控制的離心壓縮機(jī)組，其控制回路較多、控制程序復(fù)雜，從機(jī)械施工到投產(chǎn)成功需要長達(dá)數(shù)月的時(shí)間。西門子PCS 7系統(tǒng)是世界先進(jìn)的自動(dòng)化解決方案，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，大量壓縮機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)采用的是PCS 7系統(tǒng)[2]。其生動(dòng)的組態(tài)畫面、變量記錄、報(bào)警記錄對壓縮機(jī)故障分析、排除提供了便捷。

 

　　2、變頻驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)常見故障分析

 

　　2.1 工藝閥門故障

 

　　離心壓縮機(jī)的開機(jī)與關(guān)機(jī)有嚴(yán)格的閥門控制邏輯順序，遠(yuǎn)程控制閥門的故障會(huì)導(dǎo)致開機(jī)或者關(guān)機(jī)失敗，甚至跳閘。圖2為某離心壓縮機(jī)工藝流程示意圖。
 

 

　　閥門故障排查應(yīng)遵循一定的檢查順序：

 

　?。?）按照接線圖找到故障閥門回路，檢查控制柜內(nèi)供電是否正常；

 

　?。?）檢查閥門的儀表風(fēng)供氣管線（如果是氣動(dòng)閥門）是否堵塞，儀表風(fēng)壓力是否正常，閥門限位開關(guān)是否正常。

 

　　案例：某離心壓縮機(jī)組夜晚進(jìn)行72h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)測試期間，防喘振閥突然全開，入口壓力持續(xù)升高至壓力控制閥動(dòng)作點(diǎn)，站內(nèi)天然氣進(jìn)入放空管線燃燒，3min后壓縮機(jī)自動(dòng)停機(jī)。夜晚值班人員切換到備用壓縮機(jī)運(yùn)行。

 

　　廠家通過PCS7系統(tǒng)調(diào)出壓縮機(jī)各工藝參數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)防喘振閥s*先動(dòng)作開啟至全開狀態(tài)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速并未升高，持續(xù)3min后機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出停機(jī)指令，正常停機(jī)；檢查報(bào)警記錄，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)部保險(xiǎn)故障報(bào)警，喘振保護(hù)報(bào)警；觀察組態(tài)畫面發(fā)現(xiàn)入口ESD閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；打開機(jī)組控制系統(tǒng)機(jī)柜發(fā)現(xiàn)入口ESD閥門供電保護(hù)開關(guān)觸發(fā)，可判斷為入口ESD閥門故障。排查機(jī)組控制系統(tǒng)機(jī)柜ESD閥門供電回路，以及ESD閥門儀表風(fēng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)閥門限位開關(guān)受潮生銹，更換限位開關(guān)后，閥門開關(guān)功能正常。

 

　　2.2 干氣密封系統(tǒng)故障

 

　　離心壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)的作用是防止工藝介質(zhì)的軸端泄漏。干氣密封由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間會(huì)形成氣膜，氣膜使兩個(gè)密封端面完全分離，并保持一定的密封間隙，一般為幾微米，如此小的間隙使介質(zhì)的泄漏量很小[3-4]，另有儀表風(fēng)（或者氮?dú)猓┳鳛楦綦x氣防止?jié)櫥臀廴靖蓺饷芊猸h(huán)。圖3為干氣密封供氣工藝流程示意圖（A1、A2為供氣口）。
 

 

　　干氣密封環(huán)精密的結(jié)構(gòu)對密封氣的潔凈度有較高的要求，因此密封氣在進(jìn)入密封環(huán)之前要經(jīng)過調(diào)壓、過濾、加熱（如需）、流量限制等。

 

　　案例：某天然氣處理廠在調(diào)試過程中進(jìn)行一臺離心壓縮機(jī)的喘振測試，關(guān)閉出口閥門，開啟防喘振閥使天然氣循環(huán)，并通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和防喘振閥的開度測量喘振點(diǎn)。測試過程中干氣密封濾芯先后堵塞8個(gè)，每個(gè)濾芯價(jià)格高達(dá)兩萬元。同時(shí)，濾芯較長的供貨周期嚴(yán)重影響到了壓縮機(jī)的后續(xù)調(diào)試。

 

　　密封氣取氣點(diǎn)一般設(shè)于壓縮機(jī)出口法蘭處，以及外輸管線處各一個(gè)。待機(jī)狀態(tài)下，外輸管線中的介質(zhì)作為密封氣；壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換使用出口法蘭處的高壓介質(zhì)作為密封氣。喘振測試時(shí)，工藝管線尤其是壓縮機(jī)后的空冷器管束內(nèi)的雜質(zhì)在循環(huán)過程中，通過壓縮機(jī)出口法蘭處的密封氣供氣管線進(jìn)入干氣密封盤的濾芯內(nèi)，使精度高達(dá)5μm的濾芯堵塞。一旦濾芯破裂，干氣密封環(huán)及壓縮機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。
 

 

　　為保證壓縮機(jī)喘振測試時(shí)干氣密封系統(tǒng)不再受到污染，可強(qiáng)制打開外輸管線的干氣密封供氣閥門，關(guān)閉壓縮機(jī)出口法蘭處的干氣密封氣源開關(guān)閥，使用外輸管線中的介質(zhì)作為密封氣。

 

　　離心壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)對介質(zhì)中的固體顆粒、粉塵、液滴很敏感，壓縮機(jī)調(diào)試時(shí)必須保證密封氣的潔凈，對工藝管線等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行吹掃后需充氮?dú)獗Ｗo(hù)。也有項(xiàng)目在調(diào)試期間使用臨時(shí)軸端密封開啟壓縮機(jī)對管線進(jìn)行吹掃，但這樣會(huì)增加調(diào)試成本。另外在喘振測試前，使壓縮機(jī)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)是絕大多數(shù)壓縮機(jī)制造商不能接受的，圖4為John Crane生產(chǎn)的干氣密封環(huán)。

 

　　案例：某離心壓縮機(jī)調(diào)試期間，火炬放空量比平時(shí)明顯增加。壓縮機(jī)機(jī)組處于非帶壓狀態(tài)。現(xiàn)場逐一排查各區(qū)塊，z*終將放空氣源鎖定在壓縮機(jī)單元。檢查壓縮機(jī)單元進(jìn)出口閥門發(fā)現(xiàn)并無泄露，但是壓縮機(jī)本體內(nèi)的壓力始終處于微正壓狀態(tài)；干氣密封供氣壓力調(diào)節(jié)閥前后壓差高于設(shè)計(jì)壓力。對照干氣密封工藝流程圖，檢查管線中的限流孔板發(fā)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)閥后的限流孔板沒有安裝，重新安裝后放空量正常。

 

　　壓縮機(jī)處于非帶壓待機(jī)狀態(tài)下，干氣密封系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從外輸管線取氣，限流孔板的缺失會(huì)增大密封氣的供應(yīng)量，導(dǎo)致大量天然氣通過迷宮密封進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，由壓縮機(jī)進(jìn)出口進(jìn)入工藝管線的放空系統(tǒng)。 

 

 　　2.3 潤滑油系統(tǒng)故障分析

 

　　潤滑油系統(tǒng)是壓縮機(jī)重要的輔助系統(tǒng)，為壓縮機(jī)軸承、齒輪箱（如有）、電機(jī)軸承（如需） 提供一定壓力、一定溫度的潔凈潤滑油[5]。潤滑油系統(tǒng)的以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)需要注意：為保證過濾器、油冷器、儀表等充滿潤滑油，其工藝、儀表管線設(shè)置有較多的回流管線；壓力調(diào)節(jié)一般采用自力式壓力調(diào)節(jié)閥，其取壓點(diǎn)是位于橇邊的供油管線。

 

　　可能出現(xiàn)的故障主要有油壓過低報(bào)警、過濾器壓差高報(bào)警、油溫報(bào)警。

 

　　油壓過低需檢查潤滑油管道是否漏油，過濾器是否堵塞，壓力變送器的回油管線是否關(guān)閉。

 

　　過濾器壓差高報(bào)警，需立即切換到備用過濾器并更換濾芯，差壓計(jì)引壓管內(nèi)的氣體也會(huì)影響測量結(jié)果，需通過放空閥門排氣。

 

　　潤滑油站設(shè)置有電加熱器保證足夠高的開機(jī)溫度（約35℃），油冷器和溫控閥保證供油溫度的穩(wěn)定（約45℃）。油溫過高一般是電加熱器溫度開關(guān)故障導(dǎo)致電加熱器沒有自動(dòng)關(guān)閉，或者溫控閥設(shè)置錯(cuò)誤。

 

　　2.4 軸承

 

　　離心壓縮機(jī)配備有徑向軸承和止推軸承，軸承配有軸瓦測溫元件，每組測溫元件一用一備。

 

　　為確保在整個(gè)工況內(nèi)將轉(zhuǎn)子振動(dòng)限制在容許的范圍內(nèi)，軸承設(shè)計(jì)考慮有足夠的阻尼。為了易于組裝，徑向軸承采用可傾瓦設(shè)計(jì)和水平剖分。止推軸承應(yīng)采用鋼襯，巴氏合金多軸瓦塊結(jié)構(gòu)并應(yīng)設(shè)計(jì)成能在兩個(gè)軸向都承受相等的推力而且能夠?qū)蓚?cè)進(jìn)行加壓潤滑[6]。兩側(cè)都裝有具有自校平特性的可傾斜瓦塊，它可以保證每塊瓦塊甚至于在其厚度方向有極小的偏差時(shí)，都能在兩側(cè)承受相同的推力載荷。止推軸承可根據(jù)機(jī)殼和軸承間隙，設(shè)置對轉(zhuǎn)子進(jìn)行軸向定位。

 

　　如果出現(xiàn)軸承溫度高于設(shè)計(jì)溫度的情況，需要檢查軸承處供油壓力及回油情況，如果正常則更換另一組備用測溫元件；如問題仍舊未解決則需要停機(jī)，請供貨商到現(xiàn)場解決問題，圖5為某管道壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端徑向軸承檢查圖。

 

　　軸承振動(dòng)的檢測是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試的重要內(nèi)容，也是保證振動(dòng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的重要手段，通常用合同中訂貨的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試，在振動(dòng)探頭安裝期間要對此系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)買方的要求，也可以在測試后拆除探頭，對所有測試點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)標(biāo)定以檢驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)。

 

　　振動(dòng)檢測過程中在約為z*大連續(xù)轉(zhuǎn)速的5%至10%的范圍內(nèi)，記錄所有軸振動(dòng)測量點(diǎn)的儀表讀數(shù)以確定跳動(dòng)值。如果買方有要求，可額外準(zhǔn)備部分或所有測試面信號的振動(dòng)波形圖，振動(dòng)波形圖是根據(jù)示波器屏幕上的實(shí)時(shí)顯示圖形拍攝下來的，帶相位標(biāo)記。在測試過程中的各個(gè)轉(zhuǎn)速下，除了z*大連續(xù)工作速度外，記錄所有振動(dòng)測量點(diǎn)的儀表讀數(shù)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到z*大連續(xù)轉(zhuǎn)速的110%時(shí)，測量并記錄該速度下操作過程的起始值和結(jié)束值。在4h的z*大連續(xù)轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下，對所有的軸振動(dòng)測量點(diǎn)每20min記錄一次儀表讀數(shù)。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，對所有所述測量點(diǎn)使用線性振幅譜表測量其位移，并用X-Y繪圖儀記錄各點(diǎn)圖形[7]。 

 

 

 

 

　　軸承振動(dòng)監(jiān)測大多采用Bently Nevada系統(tǒng)，振動(dòng)探頭將位移信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過硬線傳送到Bently通信卡，任何一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)超過限定值都會(huì)觸發(fā)停機(jī)保護(hù)。由于機(jī)組的振動(dòng)情況在PCS7畫面上的顯示數(shù)據(jù)，是由Bently系統(tǒng)的modbus通信卡從硬線信號轉(zhuǎn)換來的，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中如果Bently通信卡故障，PCS7畫面上顯示振動(dòng)數(shù)據(jù)偏離但是機(jī)組并不會(huì)跳閘。

 

　　2.5 喘振控制

 

　　喘振是透平機(jī)的固有特性，壓縮機(jī)流量過低或者進(jìn)出口壓差過大會(huì)造成流體流態(tài)失穩(wěn)，產(chǎn)生的脈動(dòng)流體與出口管網(wǎng)氣阻形成振蕩現(xiàn)象，造成周期性的氣流倒流[8]。表現(xiàn)為進(jìn)出口壓力時(shí)高時(shí)低，流量時(shí)正時(shí)負(fù)，形成巨大的噪聲和振動(dòng)。喘振會(huì)對葉輪、軸承、進(jìn)出口管網(wǎng)以及人身安全形成極大潛在危害。

 

　　防喘振控制的目的就是要始終保證工況點(diǎn)運(yùn)行在防喘振線以下的安全區(qū)域內(nèi)。從喘振的形成過程可以看出，在一定的排氣壓力下，防止壓縮機(jī)流量過小就能避免喘振發(fā)生。工程中采用防喘振閥將部分出口介質(zhì)回流到入口，來增大壓縮機(jī)流量，消除喘振。防喘振閥通常選為氣關(guān)閥，并且要求快開慢關(guān)。防喘振閥在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)距離喘振線10%時(shí)開始動(dòng)作，在喘振線附近還設(shè)置有安全線，如果防喘振閥動(dòng)作后工作點(diǎn)仍舊向喘振線移動(dòng)并越過安全線，控制系統(tǒng)將控制壓縮機(jī)跳閘[9]。

 

　　壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)會(huì)采集壓縮機(jī)入口壓力p1，入口溫度T1，入口法蘭與第一級葉輪眼壓差△p，以及出口壓力p2，出口溫度T2進(jìn)行防喘振控制。以上遠(yuǎn)傳儀表的安裝不當(dāng)，以及介質(zhì)對儀表的污染都會(huì)影響喘振控制。

 

　　案例：某天然氣處理廠離心增壓機(jī)一用一備，采用P1控制模式（控制入口壓力穩(wěn)定），在同一工況下2#壓縮機(jī)防喘振閥開度比1#壓縮機(jī)開度大，功耗更多。

 

　　壓縮機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)控制壓縮機(jī)在z*高效率點(diǎn)運(yùn)行，不同轉(zhuǎn)速下的控制點(diǎn)形成一條控制線。對比檢查2臺壓縮機(jī)的控制線、PID控制參數(shù)后發(fā)現(xiàn)2臺壓縮機(jī)參數(shù)一致，排除控制系統(tǒng)原因。帶壓待機(jī)狀態(tài)下觀察2#壓縮機(jī)各參數(shù)，發(fā)現(xiàn)出口壓力小于進(jìn)口壓力，初步判斷為出口壓力變送器故障。實(shí)地檢查壓力變送器，此壓力表出現(xiàn)嚴(yán)重漏氣，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)比實(shí)際壓力低，壓縮機(jī)誤以為工作流量太小，因此通過開大防喘振閥的方式增加循環(huán)量，從而增大工作流量，保證壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。

 

　　案例：某離心壓縮機(jī)在60%設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行，處于P1控制模式，防喘振閥突然全開，轉(zhuǎn)速逐漸提高，功耗不斷增加導(dǎo)致天然氣發(fā)電機(jī)超負(fù)荷跳閘，全廠停電。

 

　　檢查PCS7報(bào)警系統(tǒng)，第一個(gè)報(bào)警信號是空氣開關(guān)故障信號。調(diào)出運(yùn)行曲線，顯示防喘振閥s*先動(dòng)作，開度至100%，防喘振閥全開導(dǎo)致出口壓力降低，入口壓力升高，為了保證p1達(dá)到設(shè)置點(diǎn)要求，控制系統(tǒng)命令變頻器增大頻率輸出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高。然而喘振控制系統(tǒng)并沒有喘振記錄，打開機(jī)組控制系統(tǒng)供電機(jī)柜，發(fā)現(xiàn)防喘振閥空氣開關(guān)處于打開狀態(tài)，判斷為防喘振閥故障。檢查其供電回路、電磁閥后發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈電阻無限大，判定其線圈燒壞，更換電磁閥后故障排除。

 

　　2.6 變頻器

 

　　隨著橇裝化、模塊化產(chǎn)品在石油化工領(lǐng)域的發(fā)展，離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器越來越多的放置在可整體運(yùn)輸?shù)募b箱中，以減少現(xiàn)場的組裝工作和土建施工。世界知名變頻器制造商都有自己的成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品說明書中有著詳細(xì)的故障代碼和對應(yīng)的解決方案，變頻器本身的模塊化設(shè)計(jì)為故障排查、配件更換提供了便利[10]。

 

　　變頻器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，需要采用抽風(fēng)系統(tǒng)將熱量抽出變頻器機(jī)柜，從機(jī)柜抽出的熱量可以采用內(nèi)循環(huán)或者外循環(huán)的散熱方案。內(nèi)循環(huán)即將變頻器機(jī)柜內(nèi)的熱量抽到集裝箱里，集裝箱內(nèi)配備大功率工業(yè)空調(diào)降溫；外循環(huán)即直接將變頻器機(jī)柜內(nèi)的熱量抽到集裝箱外部，集裝箱根據(jù)需要不配備空調(diào)或者選用小功率空調(diào)[11]。對于多雨的地區(qū)，要避免使用外循環(huán)的散熱方案，防止雨水隨氣流進(jìn)入集裝箱，形成安全隱患。

 

　　3、結(jié)論

 

　　本文對離心壓縮機(jī)調(diào)試、運(yùn)行過程中的問題進(jìn)行總結(jié)、分析，并介紹了各個(gè)系統(tǒng)的工作原理，能夠幫助操作人員快速判斷故障原因，有序解決離心壓縮機(jī)熱試車過程中的問題，減少熱調(diào)試時(shí)間，并為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)，大大降低調(diào)試成本、運(yùn)行維護(hù)成本。

 

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 花嚴(yán)紅，袁衛(wèi)星，王海，離心壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀及展望[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007，（3 ）：59-62.

　　[2] 丁克北.離心壓縮機(jī)故障診斷研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煉油與化工，2005，（2 ）：30.

　　[3] 鐘桂香，羅瀟，郗祥遠(yuǎn).干氣密封失效原因分析與有效性措施[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014，（3 ）.

　　[4] 楊富來.干氣密封技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，（3 ）.

　　[5] 王小健.離心壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2016，（2 ）.

　　[6] API 617-2006，石油及化工和氣體工業(yè)用離心壓縮機(jī)[S].美國石油協(xié)會(huì)，2006.

　　[7] 曹建華.長輸管道壓氣站天然氣離心壓縮機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測與故障診斷[D].中國石油大學(xué)（華東），2014.

　　[8] 魏龍，常新忠，滕文銳.離心壓縮機(jī)喘振分析及實(shí)例[J].通用機(jī)械，2003，（7 ）.

　　[9] 靳伍銀，劉飛躍，剡昌鋒，等.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（3）：43-44.

　　[10] 于泳，蔣生成，楊榮峰，等.變頻器IGBT開路故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，（9 ）.

　　[11] 王俊坤.西門子變頻器常見故障維修案例與日常維護(hù)[J].變頻器世界，2009，（7 ）.